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起重机模拟驾驶训练器-起重机模拟设备

发布时间:2024-06-17

编辑人:灵图互动

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起重机模拟驾驶训练器基于实际的汽车起重机驾驶操纵系统,利用虚拟现实技术构建一个与真实操作环境一致的虚拟培训环境,通过计算机系统采集汽车起重机在实际驾驶操纵过程中的各种信号,并利用计算机模拟真实的场景和汽车起重机工作装置的运动过程,突破了传统实车实地训练的局限,为操作人员提供了一个安全、高效且经济的培训解决方案。

起重机模拟驾驶训练器主要涵盖驾驶操作系统,数据采集传输系统,计算机仿真处理及硬件模拟等四大部分。来自驾驶操作系统的信息,通过数据采集传输系统传送到计算机处理,通过所建立的数学模型进行视景、汽车起重机运动姿态、

生产过程中的声响仿真,实现交互的操纵和场景的实时仿真,并通过硬件模拟系统将图像、声音及振动等多种信息反馈给学员,使其获得实际或接近实际的操作感受,以达到前期培训的目的。

起重机模拟驾驶训练器

1. 驾驶系统

起重机模拟驾驶训练器的驾驶操作系统是采用真实的驾驶室,安装有各种按钮、仪表、指示器,采用电动机驱动的方向盘、操纵手柄、脚踏板、司机座椅等汽车起重机实际的操纵装置,并在此基础上增加了物理控制台、鼠标、键盘的控制,除完成操纵控制外还可以对工作场景、天气情况、起升高度和跨度、搬运对象及负重等进行不同的组合以适应各种条件下的操纵训练。

起重机模拟驾驶训练器的驾驶系统

2. 驾驶操纵信号的采集与处理

数据采集部分的作用是将驾驶操纵过程中的各种现场信号实时地传递给计算机,使计算机能够及时、准确地作出判断,从而实现计算机视景的变化。

由于外部信号不能直接被计算机所使用,必须通过采集卡对外部信号进行采集,并通过采集卡将数据传输给计算机。同时模拟量必须通过A/D转换,使之变为数字信号,供计算机使用。

3. 计算机的仿真处理软件

计算机的仿真处理软件利用VC++程序语言、3DSMax、OpenGL三维图形库进行编程,参加训练人员在操纵起重机过程中产生的现场信号经计算机采集系统输送到计算机进行处理,通过所建立的数学模型取得在三维场景中起重机的位置和起重机的工作姿态的有关数据,实现交互的操纵和场景的实时仿真。

3.1视景仿真

视景仿真是将默认视点固定在驾驶室内,模拟司机的工作状态下所面对的前方视线范围,主要的观察对象是工作场景、吊臂、吊物装置及物料,需要构建虚拟环境、虚拟模型及汽车起重机的运动模型等,并采用虚拟相机的控制变换视点。

在虚拟环境中天空的仿真时,我们从实时简单的角度出发,采用的是天空盒技术。绘制覆盖四周的长方体,其六个面上都贴有表示天空的纹理贴图。考虑到深度关系,在场景渲染时,绘制完天空盒才打开深度缓冲再保存其他对象的深度信息。

物料的模拟包括固体物料和流状物料,固体物料直接通过基本造型组合实现。考虑到流状物料及大气中的雨、雪等属于边界不清的不规则模糊物体,故采用粒子系统实现。用诸多形状简单、不规则、随机分布的微小粒子来定义物体,赋予其形状大小、颜色、透明度、位置、速度、生命周期等属性,通过不断删除旧粒子增加新粒子表现其流状特性。

3.2 起重臂和吊物装置的模拟

起重臂和吊物装置的模拟采用3DSMax确定其实体模型,再采用递归读取的方式实现文件内容的读入和3D对象的绘制。文件内容读入时,先建立基本的数据结构定义文件glStructures.h,用于定义块的结构、材质属性、材料符号、位置矢量、颜色、四元数、关键帧等。再定义3DS文件的读入类C3dsReader,将3DS文件中的内容读入到该类的对象中。3D对象的绘制时,定义CTriobject和CTrilist两个类,分别储存对象信息和处理3DS模型中的对象链表。利用OpenGL提供的光源及材质属性设置函数、图像空间消隐能力及纹理映射功能,增强模型的真实感。

3.3 运动仿真

运动仿真是指汽车起重机模型的运动,它是通过吊臂、吊钩、回转、变幅、伸缩、以及起升等机。吊钩及重物在绝对坐标空间内的位姿变换来实现的。根据汽车起重机的运动特性,起重机模拟驾驶训练器主要模拟了变幅、回转、伸缩、起升四种运动,并通过交互控制函数调用OpenGL API函数库来实现。为了准确模拟吊物的运动,还编写了相应代码模拟吊物在塔机启动和制动时因惯性造成的摆动以及不同风载工况下吊物随风摆动的效果。

起重机模拟驾驶训练器的软件系统

4. 硬件模拟

起重机模拟驾驶训练器的硬件系统主要由显示系统、音响系统及震动装置组成。

4.1 显示系统

显示系统采用的是基于投影的显示方案,投影幕布位于驾驶室的正前方,显示虚拟的汽车起重机作业景象。受训人员可通过操纵各类电气元件来控制虚拟场景,所生成的场景图像有投影仪投放到幕布上。这样受训人员不仅可以感受真实的工作环境,还能看到他所操控的设备的运动。

4.2 音响系统

安装在驾驶室内的立体音响用来模拟现场的各种工作声响,受训人员可以听到类似于实际工作现场的电动机工作、机构起制动、指挥人员通过无线电话传来的指令等。

4.3 震动装置

振动装置是在驾驶室的底部安装一套多自由度的液压振动装置,受训人员的实际操作由数据采集卡采集并传输到计算机进行处理,获得相应的振动参数,进而控制振动装置具体实现相应的振动,是受训人员感受到接近实际操作的真实身体感受。

起重机模拟驾驶训练器采用半实物仿真的方式,通过真实汽车起重机驾驶操纵系统结合构建的虚拟仿真驾驶系统,并利用显示、音响和液压振动装置增强被训人员的沉浸感,不仅提升了培训效果,而且安全、经济,对汽车起重机驾驶训练具体重要的意义。

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